JP4601743B2

JP4601743B2 - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP4601743B2
Application number: JP18957399A
Authority: JP
Inventors: 敏哉和久; 敬介橋本; 大造及川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-07-02
Filing date: 1999-07-02
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2019-07-02
Also published as: JP2001017424A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多断面の超音波画像データから３次元画像データを作成し、表示する機能を持った超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波の医学的な応用としては種々の装置があるが、その主流は超音波パルス反射法を用いて生体の軟部組織の断層像（組織濃淡像）を作成する画像診断である。この超音波診断は、Ｘ線診断装置、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置（Ｘ線ＣＴ）、磁気共鳴映像装置（ＭＲＩ）、核医学診断装置（ガンマカメラ、ＳＰＥＣＴ、ＰＥＴ）などの他の画像診断装置に比べて、実時間表示が可能、装置が小型で安価、Ｘ線などの被曝がなく安全性が高いといった優位点の他に、超音波ドプラ法により血流イメージングが可能であるといった超音波診断にしかできない特有の特徴を有している。このため超音波画像診断の活用範囲は、心臓、腹部、乳腺、泌尿器、および産婦人科等々多岐に渡っている。
【０００３】
このように様々な利点のある超音波画像診断であるが、近年では、臨床現場からの強い要望もあって、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置（Ｘ線ＣＴ）や磁気共鳴映像装置（ＭＲＩ）に追随するかたちで、３次元画像の作成及び表示する試みが盛んになってきている。現在のところ、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置や磁気共鳴映像装置で培われてきた３次元画像作成表示技術を、そのまま超音波分野に流用しているケースが殆どである。
【０００４】
上述したように、超音波診断装置はもともと実時間表示というＸ線コンピュータ断層撮影装置等の追随を許さない特徴があり、この特徴が欠落するようでは、超音波による３次元画像技術の今後の発展、普及は見込めない。
【０００５】
しかし、現在のところ、超音波３次元画像の実時間処理は、以下に説明するような様々な超音波特有の問題に阻まれて、実現には至っていないのが現状である。
【０００６】
（座標変換処理上の問題）
現在普及している超音波ビームを使った走査方式としては、リニア、コンベックス、セクタ、アニュラなど様々ある。この中で、コンベックスやセクタなどの扇形に走査する方式では、図８に示すように、例えば極座標系で表現されているスキャンラスタデータ（生データと呼ばれることがある）を、ディスプレイの走査方式に合わせて、２次元の直交座標系へ変換する必要がある。これは一般に、スキャンコンバートと呼ばれるオペレーションである。このスキャンコンバートされたデータを積み上げて、ボリュームデータ、一般的には画素を立方体で表現したボクセルデータを得る。
【０００７】
多くの３次元表示では、このボクセルデータに対し、図９に示すように、仮想的なスクリーンへの投影処理によって擬似３次元画像を得ている。この処理には、その方法如何に関わらず、ボクセルデータの３次元直交座標系から投影スクリーンの２次元直交座標系への座標変換が含まれている。
【０００８】
このように従来の超音波３次元画像表示においては、極座標系から２次元の直交座標系への変換と、それからボクセルデータ化した後に３次元の直交座標系から投影スクリーンの２次元直交座標系への変換には、座標計算及び補間演算等が必要で、このため高速化を困難にしている。
【０００９】
（データ転送上の問題）
また、超音波診断装置においては、図１０に示すように、投影スクリーンを例えば縦横に分割して投影処理をマルチプロセッサなどによる並列処理で高速化を図っていることが多い。この場合、１つのメモリを複数のプロセッサで共有するようになっているが、これでは、光線追跡処理時のランダムアクセス等よって生じるボトルネック現象により待ち時間が発生してしまい、高速化の妨げになっていた。
【００１０】
これを解決するために、複数のプロセッサに対して個別にメモリを設ける仕様のものがある。この場合、ボリュームデータは、複数のメモリにシリアルに転送されることになる。従って、データ転送に長時間要することになるため、やはり高速化の妨げになっていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、３次元画像処理機能を有する超音波診断画像において、その処理の高速化を図って、超音波走査と並行して３次元画像の作成及び表示をほぼ実時間で可能にすることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明のある局面は、被検体内部を超音波で扇形に走査する手段と、前記走査により得られたエコー信号を検波する手段と、前記検波により得られた直交座標変換前の極座標系で表現されているスキャンラスタデータに基づいて、複数の部分的３次元画像データを並列処理により作成する複数のユニットと、前記複数のユニットにより作成された複数の部分的３次元画像データを３次元画像データに合成する手段と、前記検波により得られたスキャンラスタデータを、前記複数のユニットに対して一斉同報するブロードキャスト手段とを具備したことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明を好ましい実施形態により詳細に説明する。図１に、本実施形態に係る超音波診断装置の構成をブロック図で示している。ＣＰＵ１に対して、バス２０を介して、多チャンネル型の超音波プローブ９、送受信ユニット８、スキャンコンバータ１０、３次元画像再構成ユニット１１、磁気ディスク２、メモリ３、キーボード４、マウス５、グラフィックコントローラ６、モニタ７が接続されている。
【００１６】
多チャンネル型の超音波プローブ１には、圧電素子とこの圧電素子の表面に形成された個別電極と圧電素子の裏面に形成された共通電極とからなる複数の振動子が一列に配列されている。この超音波プローブ１の振動子配列としては、リニア仕様、セクタ仕様、コンベックス仕様等の様々な仕様があるが、ここではセクタ仕様として説明する。
【００１７】
送受信ユニット８は、送信部分と受信部分と検波部分とからなり、送信部分には、振動子に個々に接続されたパルサが設けられている。このパルサは、パルス発生器から一定の周期（パルス繰り返し周波数ＰＲＦの逆数）で発生され、そして送信遅延回路で遅延されたパルス信号をトリガとして、個別に対応されている振動子に駆動信号（高周波の電圧信号）を印加する。振動子の駆動信号による機械的な振動により発生した超音波は、被検体内部を伝播し、その途中にある音響インピーダンスの不連続面で反射し、エコーとしてプローブ９に返ってくる。このエコーは、プローブ９の圧電素子を機械的に振動する。これにより発生した微弱な電気信号は、受信部分のプリアンプで増幅され、そして受信遅延回路で遅延され、加算器で加算される（整相加算処理）。これによりエコー信号に指向性が与えられる。このエコー信号は、検波部分においてまず検波され、そしてアナログデジタルコンバータで１本の超音波走査線（単にラスタと呼ばれることもある）に対して例えば０．５ｍｍ間隔に相当するサンプリング周波数に従ってサンプリングされる。
【００１８】
この検波及びサンプリング直後であって、後述のスキャンコンバータ１０でビデオ走査方式に合わせて直交座標変換される前のデータは、ラスタの番号と、サンプリング点の番号とによって極座標様の座標系で定義されている。この１スライス（１スキャン）分のサンプリングデータの集まりを、以下、スキャンラスタデータと称するものとする。
【００１９】
ここで、本装置には、２次元表示モードと、３次元表示モードとが備えられていて、キーボード４やマウス５の操作によりオペレータは自由に切替できるようになっている。
まず、２次元表示モードにおいては、送受信ユニット８から出力されるスキャンラスタデータは、スキャンコンバータ１０で水平走査線と垂直走査線とで定義される直交座標系、つまりビデオ走査方式に並び替えられ、さらにラスタ間を補間され後、断層像データとしてグラフィックコントローラ６に送られると共に、磁気ディスク２に送られ記憶される。グラフィックコントローラ６は、モニタ７に断層像を表示させるために、断層像データに基づいてモニタ７を制御する。
【００２０】
次に、３次元表示モードにおいては、超音波プローブ９が手動で又は自動的に動かされると、これに応じて扇形走査面が、被検体内部の３次元領域内を手前から奥に向かって平行移動又は首振り運動のように動き、この結果、複数スライス分のスキャンラスタデータがボリュームデータとして収集される。
【００２１】
この３次元表示モードでは、２次元表示モード時と異なり、送受信ユニット８から出力されるスキャンラスタデータは、スキャンコンバータ１０を経由せずに、直接的に３次元画像再構成ユニット１１に送られる。
【００２２】
この３次元画像再構成ユニット１１では、図２に示すように、複数スライス分のスキャンラスタデータから直接的に３次元画像再構成処理、ここではキーボード４やマウス５の操作によって任意に設定された投影スクリーンに対して垂直に定義された複数の光線各々に沿ってデータ追跡を行い、その光線上のデータを対象としてデータ加算又は最大値抽出等の処理、さらにはラスタ間の補間処理を行う。このような処理が一般的に投影処理と呼ばれるもので、この投影処理により３次元表示画像データが再構成される。この投影処理において、データ読み書き等のアドレスコントロールは、従来のようなＸＹ直交座標系の仕様ではなく、ラスタの番号とサンプリング点の番号とによる極座標様の座標系の仕様で行われる。
【００２３】
このように本実施形態では、スキャンコンバータ１０でビデオ走査方式に合わせて直交座標変換される前のスキャンラスタデータを対象として、直交座標変換処理を経由せずに直接的に３次元表示画像再構成処理を行う。従来では、ボクセルデータを対象としたＸ線ＣＴやＭＲＩ用の３次元画像作成処理をそのまま流用できるようにデータを直交座標に変換してボクセルデータを作ってから３次元画像作成処理を行っていたが、本実施形態では、ボクセルデータを作らずに、直交座標変換前のスキャンラスタデータから直接的に３次元画像データを作成する。従って、直交座標変換に要していた時間分、高速化を図って、実時間性を向上することができる。
【００２４】
さらに、本実施形態では、従来と同様に、図３に示すように、複数スライス分のスキャンラスタデータ（ボリュームデータ）から３次元画像データを再構成する投影処理（図８参照）を、メモリ１５と演算器１６とからなる複数のレンダリングユニット１４で並列処理（分割処理）して、部分的な３次元画像データを作成し、この部分的な３次元画像データを合成プロセッサ１７で最終的な１つの３次元画像データに合成するようになっている。
【００２５】
このメモリ１５に送られるスキャンラスタデータは、従来では、複数のユニット１４にシリアルに転送されていたが、本実施形態では、スキャンラスタデータに宛先アドレスとして宛先不特定アドレスを添付するブロードキャスター１２と、複数のユニット１４で共用されるバス１３とにより、複数のユニット１４に対して一斉同報されるようになっている。
【００２６】
従って、データ転送時間を実効的に従来の１／Ｎ（Ｎはユニット数）に短縮することができ、これにより高速化が実現され、実時間性が向上され得る。
【００２７】
なお、３次元画像再構成ユニット１１は、図４に示すようにいわゆるクロスバー方式に変形することができる。図３の構成では、ブロードキャスター１８に対して複数のレンダリングユニット１４がバス１３により一対多の形態で接続されていたのに対して、図４の構成では、ブロードキャスター１８に対して複数のレンダリングユニット１４が一対一の形態で個別に接続されている点が相違している。また、図３の例では、ブロードキャスター１２でスキャンラスタデータに宛先不特定アドレスを添付することで一斉同報を実現していたが、図４の例では、ブロードキャスター１８又は送受信ユニット８において、転送先の複数のレンダリングユニット１４の個別アドレス（接続ポート番号）をスキャンラスタデータに個々に添付して、複数のレンダリングユニット１４各々が個別アドレスに従ってスキャンラスタデータをに一斉に受け取ることができるようになっている。
【００２８】
また、３次元画像再構成ユニット１１は、図５に示すようにいわゆるデージーチェーン方式に変形することもできる。図５の構成では、複数のレンダリングユニット１４各々にはリピーター２２が設けられ、このリピーター２２によって複数のレンダリングユニット１４がブロードキャスター１８に対して連続的又は連鎖的に接続されている。先頭のレンダリングユニット１４のリピーター２２は、ブロードキャスター１８から受け取ったスキャンラスタデータを自ユニット１４のメモリ１５に送り込むのと並行して、次段のレンダリングユニット１４に転送する。この次段のレンダリングユニット１４のリピーター２２も同様に、受け取ったスキャンラスタデータを自ユニット１４のメモリ１５に送り込むのと並行して、さらに次段のレンダリングユニット１４に転送する。このような動作を繰り返しながら、複数のレンダリングユニット１４に次々と送り込まれていく。この方式では、スキャンラスタデータの各ユニット１４のメモリ１５への書き込みと次のユニット１４への転送とが同時に並行して行われるので、スキャンラスタデータの転送時間を短縮することができる。
【００２９】
ここで、複数のユニット１４に対する投影処理の作業分担を、次のように工夫することにより、ハードウェア構成を簡略化、具体的にはメモリ１５の容量及びバス１３のデータ量を小さくすることができる。図６に示すように、ブロードキャスタ１２は、データ転送プロセッサ１８に置き換えられる。上述したブロードキャスタ１２は、複数スライス分のスキャンラスタデータ（ボリュームデータ）を全てを複数のユニット１４に対して一斉同報するようにしていたが、データ転送プロセッサ１８は、ボリュームデータを図７に示すように奥行き方向（Ｚ）に複数の領域（Ａ，Ｂ，…，Ｎ）に分割し、各領域のデータをそれぞれ対応するユニット１４に重複しないように転送するという機能を備えている。
【００３０】
このようにそれぞれのユニット１４には、ボリュームデータを領域毎に分けて転送することで、メモリ１５の容量及びバス１３のデータ量を図３の場合の１／Ｎに小さくすることができる。
【００３１】
このように図６の場合でも、図１の場合と同様に、ボリュームデータに対する投影処理は複数のユニットで並列処理をするようになっているが、相違するのは、各ユニットに対する投影処理の割り当て方法にある。周囲の通り、投影の主な処理としては、ボリュームデータに対して配置した複数の平行光線又は集束光線上のデータを追跡するという処理である。図１の場合では、光線単位で処理を各ユニット１４に割り当てていた、つまりある光線の追跡処理は、その最初から終わりまでが同じユニット１４で担当していたので、データ追跡処理がデータの欠落によって光線の途中で止まらないように、全てのボリュームデータを全ユニット１４に個々に送っておく必要があって、メモリ１５やバス１３に大きな容量が必要とされる。
【００３２】
一方、図６の場合、あるユニット１４には光線の途中までの追跡処理が割り当てられ、別のユニット１４にはその続き、さらに別のユニット１４にはさらにその続きが割り当てられる。つまり、１本の光線に関する追跡処理は、複数のユニット１４によって分担されるようになっている。従って、図６の場合では、全てのボリュームデータを全てのユニット１４に送る必要はなく、それぞれが割り当てられている処理に必要な部分的なデータを送ればよい。このためメモリ１５やバス１３には大きな容量は必要とされない。
【００３３】
このように奥行き方向に関する分割処理によって得られた部分的な３次元画像データは合成プロセッサ１９で光線毎に加算され、最終的な１つの次元画像データが生成される。この加算処理の一例として、光線追跡上、後方に位置する領域（Ｂ，Ｃ，…，Ｎ）では、入射光量を１．０と仮定して光線上のデータ追跡を行い、この仮定した入射光量１．０を手前の領域のデータ追跡結果に従って補正しながら加算を行う。
【００３４】
このような分割処理においても、図４のクロスバー方式や図５のデージーチェーン方式を採用することができる。この場合には、分割したデータブロックごとに各ユニット１４の個別アドレスを添付しておき、その個別アドレスに従ってユニット１４の側で分割データの受け取りの認容又は否認を判断するようにしてもよいし、予めユニット１４の側にデータ全体の中の自ユニット１４で取り込む範囲情報を与えておき、その情報に従って対応するデータブロックだけを取り込むようにしてもよい。
【００３５】
本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々変形して実施可能である。
【００３６】
【発明の効果】
（１）従来では、ボクセルデータを対象とした３次元画像作成処理をそのまま流用できるようにデータを直交座標に変換してボクセルデータを作ってから３次元画像作成処理を行っていたが、本発明では、ボクセルデータを作らずに、直交座標変換前のデータから直接的に３次元画像データを作成する。従って、直交座標変換に要していた時間分、高速化を図って、実時間性を向上することができる。
【００３７】
（２）従来では、データを複数のユニットにシリアルに転送していたが、本発明では、一斉同報するので、データ転送時間を短縮することができる。これにより高速化が実現され、実時間性が向上され得る。
【００３８】
（３）本発明でも、従来と同様に、ボリュームデータに対する投影処理は複数のユニットで並列処理をするようになっているが、従来と相違するのは、各ユニットに対する投影処理の割り当て方法にある。周囲の通り、投影の主な処理としては、ボリュームデータに対して配置した複数の平行光線又は集束光線上のデータを追跡するという処理である。従来では、光線単位で処理を各ユニットに割り当てていた、つまりある光線の追跡処理は、その最初から終わりまでが同じユニットで担当していたので、データ追跡処理がデータの欠落によって光線の途中で止まらないように、全てのボリュームデータを全ユニットに個々に送っておく必要があって、ボリュームデータの全データ量を賄えるように大きなメモリ容量が必要とされていた。一方、本発明では、あるユニットには光線の途中までの追跡処理が割り当てられ、別のユニットにはその続き、さらに別のユニットにはさらにその続きが割り当てられる。つまり、１本の光線に関する追跡処理は、複数のユニットによって分担されるようになっている。従って、本発明では、全てのボリュームデータがなくても各ユニットはそれぞれが割り当てられている奥行き領域までの部分的なデータがあれば、各ユニットはそれぞれが割り当てられている領域の作業を途中で止まることなく完了することができる。つまり、全てのボリュームデータを全てのユニットに送る必要はなく、それぞれが割り当てられている処理に必要な部分的なデータを送ればよい。このためバス容量やメモリ容量が少なくて済む。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図。
【図２】本実施形態による３次元画像再構成工程の概略図。
【図３】図１の３次元画像再構成ユニットの構成を示すブロック図。
【図４】図３の３次元画像再構成ユニットの他の構成を示すブロック図。
【図５】図３の３次元画像再構成ユニットのさらに他の構成を示すブロック図。
【図６】図１の３次元画像再構成ユニットの他の構成を示すブロック図。
【図７】図６のレンダリングユニットで並列処理されるボリュームデータの分割領域を示す模式図。
【図８】従来の３次元画像作成工程の概略図。
【図９】従来の投影処理の概念図。
【図１０】従来の投影処理の並列処理単位を示す模式図。
【符号の説明】
１…ＣＰＵ、
２…磁気ディスク、
３…メモリ、
４…キーボード、
５…マウス、
６…グラフィックコントローラ、
７…モニタ、
８…３次元画像再構成部、
９…超音波プローブ、
１０…スキャンコンバータ、
１１…３次元画像再構成ユニット、
１２…ブロードキャスター、
１３…バス、
１４…レンダリングユニット、
１５…メモリ、
１６…演算器、
１７…合成プロセッサ、
１８…データ転送プロセッサ、
１９…合成プロセッサ。

Claims

被検体内部を超音波で扇形に走査する手段と、
前記走査により得られたエコー信号を検波する手段と、
前記検波により得られた直交座標変換前の極座標系で表現されているスキャンラスタデータに基づいて、複数の部分的３次元画像データを並列処理により作成する複数のユニットと、
前記複数のユニットにより作成された複数の部分的３次元画像データを３次元画像データに合成する手段と、
前記検波により得られたスキャンラスタデータを、前記複数のユニットに対して一斉同報するブロードキャスト手段とを具備したことを特徴とする超音波診断装置。